JP2017532623A - System and method for tracking and identifying infection transmission - Google Patents

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Abstract

本開示は、感染症伝達のソースを決定するシステム及び方法を表す。系統発生的方法が、感染症分離株の進化の歴史及び複製レートを決定するために使用される。感染症分離株の進化の距離及び/又は複製レートが、他の分離株と比較されることができる。進化の距離及び/又は複製レートの比較に基づき、感染症伝達のソースの決定がなされる。The present disclosure represents systems and methods for determining the source of infectious disease transmission. Phylogenetic methods are used to determine the evolutionary history and replication rate of infectious disease isolates. The evolutionary distance and / or replication rate of an infectious disease isolate can be compared to other isolates. Based on a comparison of evolutionary distance and / or replication rate, a source of infectious disease transmission is determined.

Description

健康関連感染症(HAI)は、感染症に対して無関係な状態に関する健康治療の間に受信される患者取得感染症である。ヘルニアを治療するための外科的手順に関して病院に入院する健康な患者が、その後回復病棟において手術部位にブドウ状球菌感染症を呈することが、患者取得HAIの例である。   A health-related infection (HAI) is a patient-acquired infection that is received during health treatment for a condition unrelated to the infection. An example of patient-acquired HAI is that a healthy patient admitted to a hospital for a surgical procedure to treat a hernia will subsequently develop a staphylococcal infection at the surgical site in the recovery ward.

医療文献におけるHAIはしばしば、院内感染と呼ばれる。2011年にCDCにより行われた調査によれば、すべての入院患者のうちほぼ25人に1人がHAIにかかる。研究によれば、ほぼ721,000件のHAIが存在したと推定される。HAIは、毎年ほぼ75,000の死をもたらす又はこれに貢献する。   HAI in the medical literature is often referred to as nosocomial infection. According to a survey conducted by the CDC in 2011, approximately 1 in 25 of all hospitalized patients have HAI. Studies have estimated that there were approximately 721,000 HAIs. HAI causes or contributes to approximately 75,000 deaths each year.

院内感染は、激しい肺炎、並びに尿路、血流及び体の他の部分の感染症を引き起こす可能性がある。多くのタイプは抗生物質による攻撃に耐性があり、抗生抵抗は、病院外の人々を感染させることができるグラム陰性細菌へと拡散する。米国において、最も頻繁なタイプの病院感染は、肺炎(21.8%)、手術部位感染症(21.8%)及び胃腸感染症(17.1%)と続く。(Magill SS、Edwards JR、Bamberg Wらによる「Multistate Point- Prevalence Survey of Health Care-Associated Infections」、N Engl J Med 2014;370:1198- 208。)   Nosocomial infections can cause severe pneumonia and infections of the urinary tract, bloodstream and other parts of the body. Many types are resistant to antibiotic attack, and antibiotic resistance spreads to Gram-negative bacteria that can infect people outside the hospital. In the United States, the most frequent types of hospital infections follow pneumonia (21.8%), surgical site infections (21.8%) and gastrointestinal infections (17.1%). (Magill SS, Edwards JR, Bamberg W et al., “Multistate Point-Prevalence Survey of Health Care-Associated Infections”, N Engl J Med 2014; 370: 1198-208.)

CDCによる2009年のレポートによれば、HAIは、アメリカの病院に1年につきほぼ350億ドルの費用を課した。コストの多くは、より長い患者の滞在、病院の部分隔離、並びに感染源の発見及び根絶に関連付けられる。HAIのほぼ25.6%は、例えばカテーテル及びベンチレータといった医療デバイスによりもたらされると考えられている。残りの感染症は、病院における外科的手順及び他のソースに関連付けられると考えられている。病院関連の感染症を追跡し、追加的な感染症の数を減らすため伝達のソースを決定することができる必要がある。(Scott II, R. D.による「The Direct Medical Costs of Healthcare- Associated Infections in U.S. Hospitals and the Benefits of Prevention」、CDC、March 2009。)   According to a 2009 report by the CDC, HAI charged nearly $ 35 billion per year on American hospitals. Much of the cost is associated with longer patient stays, hospital partial isolation, and source discovery and eradication. It is believed that approximately 25.6% of HAI is provided by medical devices such as catheters and ventilators. The remaining infections are thought to be associated with surgical procedures and other sources in the hospital. There is a need to be able to track hospital-related infections and determine the source of transmission to reduce the number of additional infections. (“The Direct Medical Costs of Healthcare- Associated Infections in U.S. Hospitals and the Benefits of Prevention” by Scott II, R. D., CDC, March 2009.)

本発明の例示的な実施形態によれば、ある方法が、感染症分離株配列を表す電子データを受信するステップと、上記感染症分離株配列を表わす上記電子データとデータベースに格納される少なくとも1つの参照配列とを比較し、上記感染症分離株配列と上記少なくとも1つの参照配列との間の変種を決定するステップと、上記変種に少なくとも部分的に基づき、上記感染症分離株の進化の歴史の少なくとも一部を決定するステップと、上記進化の歴史の一部に少なくとも部分的に基づき、上記感染症分離株の系統発生的メトリックを算出するステップと、上記感染症分離株の上記系統発生的メトリックと上記少なくとも1つの参照配列の系統発生的メトリックとを比較するステップと、上記感染症分離株の上記系統発生的メトリック及び上記少なくとも1つの参照配列の上記系統発生的メトリックの間の差に少なくとも部分的に基づき、上記感染症分離株が、第1の貯蔵部又は第2の貯蔵部により伝達されたかを決定するステップと、上記感染症分離株が、上記第1の貯蔵部又は第2の貯蔵部により伝達されたかのインジケーションを提供するステップとを有する。上記進化の距離は、ジューク―カントール方法により算出されることができる。   According to an exemplary embodiment of the present invention, a method receives electronic data representative of an infectious disease isolate sequence, and at least one stored in the database with the electronic data representative of the infectious disease isolate sequence. Comparing a reference sequence to determine a variant between the infectious disease isolate sequence and the at least one reference sequence; and an evolutionary history of the infectious disease isolate based at least in part on the variant. Determining at least a portion of: a step of calculating a phylogenetic metric of the infectious disease isolate based at least in part on the evolutionary history; and the phylogenetic of the infectious disease isolate Comparing a metric and a phylogenetic metric of the at least one reference sequence; and the phylogenetic metric of the infectious disease isolate and the Determining whether the infectious disease isolate was transmitted by the first reservoir or the second reservoir based at least in part on the difference between the phylogenetic metrics of at least one reference sequence; Providing an indication of whether the infectious disease isolate has been transmitted by the first reservoir or the second reservoir. The evolutionary distance can be calculated by the Juke-Cantor method.

本発明の例示的な実施形態によれば、ある方法が、少なくとも1つの処理ユニットを用いて、上記少なくとも1つの処理ユニットによりアクセス可能なメモリに格納される感染症分離株の配列と、上記少なくとも1つの処理ユニットによりアクセス可能なデータベースに格納される少なくとも1つの参照配列とを比較し、上記感染症分離株配列と上記少なくとも1つの参照配列との間の変種を決定するステップと、上記少なくとも1つの処理ユニットを用いて、上記変種に少なくとも部分的に基づき、上記感染症分離株の複製レートを決定するステップと、上記少なくとも1つの処理ユニットを用いて、上記感染症分離株の上記複製レートと上記少なくとも1つの参照配列の複製レートとを比較し、上記感染症分離株の上記複製レートと上記少なくとも1つの参照配列の上記複製レートとの差に少なくとも部分的に基づき、上記感染症分離株が第1の貯蔵部又は第2の貯蔵部により伝達されたかどうかを決定するステップと、上記感染症分離株が上記第1の貯蔵部又は第2の貯蔵部により伝達されたかどうかの上記決定をディスプレイを用いてユーザに提供するステップとを有する。上記第1の貯蔵部は、生体微生物であり、上記第2の貯蔵部は、非生体領域であるとすることができる。   According to an exemplary embodiment of the present invention, a method uses at least one processing unit to store an array of infectious disease isolates stored in memory accessible by the at least one processing unit, and Comparing at least one reference sequence stored in a database accessible by one processing unit to determine a variant between the infectious disease isolate sequence and the at least one reference sequence; Determining the replication rate of the infectious disease isolate based at least in part on the variant using one processing unit; and the replication rate of the infectious disease isolate using the at least one processing unit; Comparing the replication rate of the at least one reference sequence with the replication rate of the infectious disease isolate and the Determining whether the infectious disease isolate has been transmitted by a first reservoir or a second reservoir based at least in part on the difference between at least one reference sequence and the replication rate; and Providing the user with a display using the display to determine whether the disease isolate has been transmitted by the first reservoir or the second reservoir. The first storage unit may be a living microorganism, and the second storage unit may be a non-biological region.

本発明の例示的な実施形態によれば、ある方法が、少なくとも1つの処理ユニットを用いて、上記少なくとも1つの処理ユニットによりアクセス可能なメモリに格納される感染症分離株の配列と、上記少なくとも1つの処理ユニットによりアクセス可能なデータベースに格納される少なくとも1つの参照配列とを比較し、上記感染症分離株配列と上記少なくとも1つの参照配列との間の変種を決定するステップと、上記少なくとも1つの処理ユニットを用いて、上記変種に少なくとも部分的に基づき、上記少なくとも1つの参照配列から上記感染症分離株の進化の距離を決定するステップと、上記少なくとも1つの処理ユニットを用いて、上記感染症分離株の上記進化の距離と、上記少なくとも1つの参照配列から上記データベースに格納される複数の配列の進化の距離の分布とを比較し、上記感染症分離株の上記進化の距離と上記複数の配列の進化の距離の上記分布との差に少なくとも部分的に基づき、上記感染症分離株が第1の貯蔵部又は第2の貯蔵部により伝達されたかを決定するステップと、上記感染症分離株が上記第1の貯蔵部又は第2の貯蔵部により伝達されたかどうかの上記決定をディスプレイを用いてユーザに提供するステップとを有する。上記感染症分離株が第1の貯蔵部又は第2の貯蔵部により伝達されたかどうかの上記決定は、上記感染症分離株の上記進化の距離が、上記複数の配列の進化の距離の上記分布の所望の信頼区間に含まれるかどうかに少なくとも部分的に基づかれことができる。   According to an exemplary embodiment of the present invention, a method uses at least one processing unit to store an array of infectious disease isolates stored in memory accessible by the at least one processing unit, and Comparing at least one reference sequence stored in a database accessible by one processing unit to determine a variant between the infectious disease isolate sequence and the at least one reference sequence; Determining the evolutionary distance of the infectious disease isolate from the at least one reference sequence based at least in part on the variant using one processing unit; and using the at least one processing unit, the infection Stored in the database from the evolutionary distance of the disease isolate and the at least one reference sequence. Comparing the distribution of evolutionary distances of the plurality of sequences and based on at least in part the difference between the evolutionary distance of the infectious disease isolate and the distribution of evolutionary distances of the plurality of sequences. Determining whether the isolate was transmitted by the first reservoir or the second reservoir, and determining whether the infectious disease isolate was transmitted by the first reservoir or the second reservoir Providing to a user using a display. The determination of whether the infectious disease isolate has been transmitted by the first reservoir or the second reservoir is such that the evolutionary distance of the infectious disease isolate is the distribution of the evolutionary distances of the plurality of sequences. Can be based at least in part on whether they fall within the desired confidence interval.

本発明の例示的な実施形態によれば、あるシステムが、処理ユニットと、上記処理ユニットによりアクセス可能なメモリと、上記処理ユニットによりアクセス可能なデータベースと、上記処理ユニットに結合されるディスプレイとを有し、上記処理ユニットが、上記メモリに格納される感染症分離株の配列と上記データベースに格納される少なくとも1つの参照配列とを比較し、上記感染症分離株配列と上記少なくとも1つの参照配列との間の変種を決定し、上記変種に少なくとも部分的に基づき、上記感染症分離株の複製レートを決定し、上記感染症分離株の上記複製レートと上記少なくとも1つの参照配列の複製レートとを比較し、上記感染症分離株の上記複製レートと上記少なくとも1つの参照配列の上記複製レートとの差に少なくとも部分的に基づき、上記感染症分離株が第1の貯蔵部又は第2の貯蔵部により伝達されたかどうかを決定し、上記感染症分離株が上記第1の貯蔵部又は第2の貯蔵部により伝達されたかどうかの上記決定をディスプレイに提供するよう構成される。このシステムは、上記処理ユニットによりアクセス可能なコンピュータシステムを更に有し、上記処理ユニットが、上記感染症分離株が上記第1の貯蔵部又は第2の貯蔵部により伝達されたかどうかの上記決定を提供するよう構成されることができる。このシステムは、上記感染症分離株の上記配列を上記メモリに提供するよう構成されるシーケンス化ユニットを含むこともできる。   According to an exemplary embodiment of the present invention, a system includes a processing unit, a memory accessible by the processing unit, a database accessible by the processing unit, and a display coupled to the processing unit. And the processing unit compares the infectious disease isolate sequence stored in the memory with at least one reference sequence stored in the database, and the infectious disease isolate sequence and the at least one reference sequence. And determining the replication rate of the infectious disease isolate based at least in part on the variant, the replication rate of the infectious disease isolate and the replication rate of the at least one reference sequence, And the difference between the replication rate of the infectious disease isolate and the replication rate of the at least one reference sequence is at least Based in part on determining whether the infectious disease isolate is transmitted by the first reservoir or the second reservoir, the infectious disease isolate is determined by the first reservoir or the second reservoir. It is configured to provide the display with the above determination of whether it has been communicated. The system further comprises a computer system accessible by the processing unit, wherein the processing unit determines the determination of whether the infectious disease isolate has been transmitted by the first reservoir or the second reservoir. Can be configured to provide. The system can also include a sequencing unit configured to provide the array of the infectious disease isolate to the memory.

本開示の実施形態による伝達ベクトルのブロック図である。FIG. 6 is a block diagram of a transfer vector according to an embodiment of the present disclosure. 本開示のある実施形態による系統発生木である。3 is a phylogenetic tree according to an embodiment of the present disclosure. 本開示のある実施形態による日付入りの系統発生木である。3 is a dated phylogenetic tree according to an embodiment of the present disclosure. 本開示のある実施形態による方法のフローチャートである。3 is a flowchart of a method according to an embodiment of the present disclosure. 本システムのある実施形態によるシステムのブロック図である。1 is a block diagram of a system according to an embodiment of the system. 本開示のある実施形態による成長率曲線のグラフである。4 is a graph of a growth rate curve according to an embodiment of the present disclosure. 本開示のある実施形態による経験的累積分布関数プロットである。4 is an empirical cumulative distribution function plot according to an embodiment of the present disclosure. 本開示のある実施形態による密度プロットである。3 is a density plot according to an embodiment of the present disclosure. 本発明の実施形態による処理のフローチャートである。It is a flowchart of the process by embodiment of this invention.

特定の例示的な実施形態の以下の説明は、単に本質的に例示的なものであり、決して本発明又はその用途又は使用を限定することを目的とするものではない。本システム及び方法の実施形態の以下の詳細な説明において、本書の一部を形成する対応する図面への参照がなされ、図面では、上記のシステム及び方法が実施されることができる特定の実施形態が図示される。これらの実施形態は、当業者が本開示のシステム及び方法を実施することができるよう充分な詳細に説明され、他の実施形態が利用されることができること、並びに構造的及び論理的変化が、本システムの趣旨及び範囲から逸脱することなくなされることができることを理解されたい。   The following description of certain exemplary embodiments is merely exemplary in nature and is in no way intended to limit the invention or its application or uses. In the following detailed description of embodiments of the present system and method, reference is made to corresponding drawings that form a part hereof, and in the drawings, the specific embodiments in which the above-described systems and methods can be implemented. Is illustrated. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the systems and methods of the present disclosure, other embodiments can be utilized, and structural and logical changes can be made. It should be understood that this can be done without departing from the spirit and scope of the present system.

以下の詳細な説明は従って、限定的な意味で取られるべきものではなく、本システムの範囲は、添付の請求の範囲によってのみ規定される。本書の図面における参照番号のリーディング桁は概して、図面番号に対応するが、複数の図面において現れる同一の要素は、同じ参照番号により特定されるという例外を持つ。更に、明確さのため、本システムの説明を曖昧にするものではないことが当業者に明らかなときは、特定の特徴の詳細な説明は述べられない。   The following detailed description is, therefore, not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present system is defined only by the appended claims. The leading digit of a reference number in the drawings of this document generally corresponds to the drawing number, with the exception that identical elements that appear in multiple drawings are identified by the same reference number. Further, for the sake of clarity, a detailed description of particular features will not be given when it will be apparent to those skilled in the art that the description of the system is not ambiguous.

感染症は、例えば細菌、ウイルス、真菌、寄生虫又は他の微生物といった病原体によりもたらされることができる。いくつかの感染症は、同じ時間に存在する複数のタイプの微生物によりもたらされる場合がある。感染症は、様々な伝達ベクトルにより拡散することができる。例示的な伝達ベクトルが、図1に示される。いくつかの例において、感染症は、2つの生体微生物の間で伝達されることができる。例えば、医師は、感染症を持つ第1の患者を治療することができる。医師が彼の手を完全に消毒しない場合、彼は第1の患者から第2の患者へと感染症を伝達する場合がある。この例は、伝達ベクトル100に対応することができる。感染した微生物は、別の微生物に感染症を直接伝達することもできる。例えば、感染者は、別の人の近くでくしゃみ又は咳をする場合がある。この人は、病原体を吸入し、その後感染する。この例は、伝達ベクトル105に対応することができる。他の例において、感染症は、非生体領域から生体微生物へと伝達されることができる。非生体領域は、例えばテーブル又はシンクカウンタといった表面とすることができる。非生体領域は、例えば透析機械又は内視鏡といった医療器材でもよい。例えば、患者上で開かれた損傷が非無菌検査テーブルと接触するとき、患者は、感染症にかかる場合がある。この例は、伝達ベクトル110として示される。   Infectious diseases can be caused by pathogens such as bacteria, viruses, fungi, parasites or other microorganisms. Some infections may be caused by multiple types of microorganisms present at the same time. Infectious diseases can be spread by various transfer vectors. An exemplary transfer vector is shown in FIG. In some examples, the infection can be transmitted between two living microorganisms. For example, a physician can treat a first patient with an infection. If the doctor does not completely disinfect his hand, he may transmit the infection from the first patient to the second patient. This example can correspond to the transfer vector 100. An infected microorganism can also transmit the infection directly to another microorganism. For example, an infected person may sneeze or cough near another person. This person inhales the pathogen and then becomes infected. This example can correspond to the transfer vector 105. In other examples, the infection can be transmitted from non-living areas to living microorganisms. The non-living area can be a surface such as a table or a sink counter. The non-biological region may be a medical device such as a dialysis machine or an endoscope. For example, a patient may have an infection when an injury opened on the patient contacts a non-sterile test table. This example is shown as transfer vector 110.

伝達ベクトル(例えば、どのように患者が感染したか)を決定することは、感染症がそのソースまでさかのぼって追跡されることを可能にすることができる。ソースはその後、感染の更なる伝達を防止するため、除去されることができる。例えば、ソースが患者である場合、感染症が(例えば、抗生物質による)治療で消去されることができるまで、他の患者を感染させることを回避するため患者は隔離されることができる。一つの例において、ソースが器材である場合、この器材は、消毒される又は新しい器材で置き換えられることができる。病院環境において、そのソースまで感染症を追跡することができることは、HAI及びそれらに関連付けられる経費の発生を減らすことができる。それは、HAIに関連付けされない領域を消毒薬で不必要に処置するための時間及びコストを減らすこともできる。   Determining the transfer vector (eg, how the patient was infected) can allow the infection to be traced back to its source. The source can then be removed to prevent further transmission of the infection. For example, if the source is a patient, the patient can be isolated to avoid infecting other patients until the infection can be cleared with treatment (eg, with antibiotics). In one example, if the source is equipment, this equipment can be sterilized or replaced with new equipment. The ability to track infections to their source in a hospital environment can reduce the occurrence of HAI and associated costs. It can also reduce the time and cost to unnecessarily treat areas not associated with HAI with disinfectants.

例えばHAIといった感染症が検出されるとき、サンプルが、患者、表面、食品、器材又は他の疑われたソースから医療スタッフにより集められることができる。サンプルは、組織、血液、水、表面の綿を含むことができる。サンプルはその後、感染症を引き起こしている病原体をこのサンプルにおける他の物質から分離するため、処理されることができる。感染症分離株はその後、様々な方法により分析されることができる。分析は、病原体タイプ、種、薬剤耐性及び/又は他の特性を決定することができる。この分析は有効な治療を決定することを支援することができるが、それは、伝達ベクトルを適切に特定することができない。   When an infection such as HAI is detected, a sample can be collected by medical staff from a patient, surface, food, equipment, or other suspected source. The sample can include tissue, blood, water, surface cotton. The sample can then be processed to separate the pathogen causing the infection from other substances in the sample. Infectious disease isolates can then be analyzed by various methods. The analysis can determine the pathogen type, species, drug resistance and / or other characteristics. Although this analysis can help determine an effective treatment, it cannot adequately identify the transfer vector.

感染した微生物又は非生体領域から感染症分離株を集めて、その遺伝子配列を分析することにより、感染症の伝達ベクトルが、系統発生的方法を用いて決定されることができる。感染症分離株は、病原体からの遺伝情報を含むサンプルの要素である。ファイロジェネティクス(系統学)は、微生物の間の進化の関係の研究である。斯かる関係はしばしば、例えば木といった重み付けされたグラフとして表される。系統発生木の例は、図2A〜図2Bに示される。系統発生的方法は、微生物の遺伝子配列の全体又は一部を分析する。感染症の進化の歴史を決定することにより、感染症は、そのソースまでさかのぼって追跡されることができる。進化の歴史は、感染症の異なるインシデントがどのように関連付けられるか又は関連付けられないかの理解を提供することができる。例えば、複数の感染した患者からの感染症分離株の配列が、比較されることができる。時間においていつ患者が感染したかが決定されることができる。1人又は複数の患者が異なるソースにより感染していたと決定されることもできる。   By collecting infectious disease isolates from infected microorganisms or non-living areas and analyzing their gene sequences, the transmission vector of the infectious disease can be determined using phylogenetic methods. Infectious disease isolates are elements of a sample that contain genetic information from pathogens. Phylogenetics is the study of evolutionary relationships between microorganisms. Such a relationship is often represented as a weighted graph, for example a tree. Examples of phylogenetic trees are shown in FIGS. 2A-2B. Phylogenetic methods analyze all or part of a microbial gene sequence. By determining the evolutionary history of an infection, the infection can be traced back to its source. Evolutionary history can provide an understanding of how different incidents of infectious diseases are or are not associated. For example, the sequences of infectious disease isolates from multiple infected patients can be compared. It can be determined when in time the patient became infected. It can also be determined that one or more patients were infected by different sources.

複数の系統発生的方法が存在する。これは、進化の距離、節約法(parsimonious)及び最尤法ベースの方法を含む。距離ベースの方法は、進化の距離が各微生物の間で算出されるものである。進化の距離は、微生物の遺伝子配列の間の類似性の程度に基づき算出される。進化の距離を決定するそのような方法の1つは、ジューク―カントール法と呼ばれ(T. H. Jukes、C. R. Cantor著、M. N. Munro編集の「Evolution of protein molecules In Mammalian protein metabolism」、Vol. III (1969)、pp. 21 -132)、そこでは、ゲノムにおける任意の特定のヌクレオチドからの別のヌクレオチドまでの遷移、即ち遷移又はトランスバージョンが、同じ確率

Figure 2017532623
で発生することができる。 There are several phylogenetic methods. This includes evolutionary distances, parsimonious and maximum likelihood based methods. Distance-based methods are those in which the evolutionary distance is calculated between each microorganism. The evolutionary distance is calculated based on the degree of similarity between the microbial gene sequences. One such method for determining the evolutionary distance is called the Juke-Cantor method (TH Jukes, CR Cantor, “Evolution of protein molecules in Mammalian protein metabolism” edited by MN Munro, Vol. III (1969). ), Pp. 21-132), where a transition from any particular nucleotide in the genome to another nucleotide, ie a transition or transversion, has the same probability
Figure 2017532623
Can occur.

上記式1において、瞬間的なレートマトリクスQは、時間の瞬間当たりの、一対のヌクレオチドの間の変化のレートを表す。確率遷移マトリクスPは、

Figure 2017532623
として与えられる。 In Equation 1 above, the instantaneous rate matrix Q represents the rate of change between a pair of nucleotides per instant of time. The probability transition matrix P is
Figure 2017532623
As given.

結果として、このモデル下の任意の2つの微生物の間の進化の距離は、単に

Figure 2017532623
となる。 As a result, the evolutionary distance between any two microorganisms under this model is simply
Figure 2017532623
It becomes.

ここで、pは、配列の間の異なるシングルヌクレオチド多形性(SNP)/DNAに沿ったサイトの数である。pが平衡値(サイトの75%は、異なる)に近づくにつれて、距離は無限に行く。この単純なモデルは、しかしながら、遷移(プリン対プリン(a−g)又はピリミジン対ピリミジン(t−c))及びトランスバージョン(プリン対ピリミジン又はその逆)が異なるレートで発生するという生物学的考慮を考慮していない。別の距離モデル、キムラ2パラメータ・モデル(Kimura, Motooによる「A simple method for estimating evolutionary rates of base substitutions through comparative studies of nucleotide sequences」、Journal of molecular evolution 16.2 (1980):111-120)は、これに関する修正を試みる。この場合、

Figure 2017532623
となる。 Where p is the number of sites along different single nucleotide polymorphisms (SNPs) / DNA between sequences. As p approaches the equilibrium value (75% of the sites are different), the distance goes to infinity. This simple model, however, is a biological consideration that transitions (purine vs. purine (ag) or pyrimidine vs. pyrimidine (t-c)) and transversion (purine vs. pyrimidine or vice versa) occur at different rates. Is not considered. Another distance model, the Kimura two-parameter model ("A simple method for controlling evolutionary rates of base substitutions through comparative studies of nucleotide sequences" by Kimura, Motoo, Journal of molecular evolution 16.2 (1980): 111-120) Attempt to fix. in this case,
Figure 2017532623
It becomes.

pは遷移の比率であり、qはトランスバージョンの比率である。   p is the transition ratio and q is the transversion ratio.

それらの進化の距離を決定するため、一旦感染症分離株配列が比較されると、進化のレートが決定されることができる。サンプルからの感染症分離株の間の進化の距離及び関係はその後、例えば木プロットといったグラフィック形式においてプロットされることができる。隣接結合(Saitou N、Nei Mによる「The neighbor-joining method: a new method for reconstructing phylogenetic trees」、Molecular Biology and Evolution、volume 4、issue 4、pp. 406-425、July 1987)が、根のない(unrooted)木を建築する1つの方法である。この方法は、同じ親ノードkを持つ一対の隣接した葉i及びjを最初に捜し出すことで、配列の間の不等な進化のレートを修正する。即ち、葉i及びjは、共通の病原体kから進化した病原体とすることができる。葉i及びjはその後、葉ノードのリストから除去され、kが、ノードの現在のリストに加えられることができる。そして、ノードの距離が再計算される。このアルゴリズムは、貪欲な「最小進化」アルゴリズムの例である。   To determine their evolutionary distance, once the infection isolate sequences are compared, the rate of evolution can be determined. Evolutionary distances and relationships between infectious disease isolates from the sample can then be plotted in a graphical format, for example a tree plot. Neighbor joins (Saitou N, Nei M's "The neighbor-joining method: a new method for reconstructing phylogenetic trees", Molecular Biology and Evolution, volume 4, issue 4, pp. 406-425, July 1987) (Unrooted) A way to build wood. This method corrects the rate of unequal evolution between sequences by first searching for a pair of adjacent leaves i and j with the same parent node k. That is, leaves i and j can be pathogens evolved from a common pathogen k. Leaves i and j are then removed from the list of leaf nodes and k can be added to the current list of nodes. The node distance is then recalculated. This algorithm is an example of a greedy “minimum evolution” algorithm.

多くの感染症分離株配列サンプルの木表現を用いることで、1つの感染症の別の感染症への相対的タイミングが推定されることができる。一般性の損失なしに、平均経路長(MPL)と呼ばれる方法が使用されることができる(Britton、Tomその他による「Phylogenetic dating with confidence intervals using mean path lengths」、Molecular phylogenetics and evolution 24.1 (2002):58-65)。MPL法は、あるノードからこのノードから降りているすべての葉までの距離の平均を持つノードの年齢を推定する。類似する分子時計、即ち、進化のレートの仮定下において、推定されたノードの年齢の標準誤差が計算されることができる。この方法を使用して、突然変異レートが、異なる感染症分離株に関して算出されることができる。   Using the tree representation of many infectious disease isolate sequence samples, the relative timing of one infection to another can be estimated. Without loss of generality, a method called mean path length (MPL) can be used (Britton, Tom et al. "Phylogenetic dating with confidence intervals using mean path lengths", Molecular phylogenetics and evolution 24.1 (2002): 58-65). The MPL method estimates the age of a node having an average distance from a node to all leaves descending from this node. Under the assumption of a similar molecular clock, ie the rate of evolution, the standard error of the estimated node age can be calculated. Using this method, mutation rates can be calculated for different infectious disease isolates.

感染のソースは、複製レートに基づき決定されることができる。病原体は、異なる環境においては異なるレートで複製することができる。異なるレートで複製する病原体の貯蔵部を持つことができる異なる環境は、血液、唾液、食品、外科的なテーブル、シンク、トイレ及びベッドリンネル類を含むが、これらに限定されるものではない。複製レートは、突然変異レートと相関することができる。複製レート、複製合計、突然変異レート、総ヌクレオチド変化、系統発生的関係の尺度を表す他のメトリック、系統発生的状態、サンプルの再生又は複製履歴が、本書において表されるメトリックに追加的に又は代替的に使用されることができる。そのようなものとして、任意の系統発生的メトリック、尺度、インジケーター又は予測子が、本発明の範囲内にあり、以下系統発生的メトリックとして参照される。概して、突然変異レートは、病原体に関してより低く、これはより低いレートで複製する。病原体の複製レートが環境に関して既知である場合、算出された突然変異レートに基づき、感染症分離株がその環境から生じたと決定されることができる。例えば、病原体は、例えば家具の表面といった乾燥した環境においてより例えば血液といった流体環境においてより迅速に複製することができる。患者からとられる感染症分離株が、参照感染症分離株と比較して高い突然変異レートを呈する場合、患者が、別の生体微生物から感染を伝達したと決定されることができる。この決定は、病院スタッフが、汚染に関して器材をテストすることよりもむしろ、他の患者への感染症封じ込めに努力することに集中することを可能にすることができる。これは、病院スタッフが、感染のソースを決定する時間を減らし、器材を不必要に消毒するコストを省くことを可能にすることができる。   The source of infection can be determined based on the replication rate. Pathogens can replicate at different rates in different environments. Different environments that can have reservoirs of pathogens that replicate at different rates include, but are not limited to, blood, saliva, food, surgical tables, sinks, toilets, and bed linens. The replication rate can be correlated with the mutation rate. Replication rate, total replication, mutation rate, total nucleotide change, other metrics that represent a measure of phylogenetic relationship, phylogenetic status, sample reproduction or replication history, in addition to the metrics represented in this document or Can alternatively be used. As such, any phylogenetic metric, measure, indicator or predictor is within the scope of the present invention and will be referred to hereinafter as a phylogenetic metric. In general, the mutation rate is lower for pathogens, which replicates at a lower rate. If the replication rate of the pathogen is known with respect to the environment, based on the calculated mutation rate, it can be determined that the infectious disease isolate originated from that environment. For example, pathogens can replicate more rapidly in a fluid environment such as blood than in a dry environment such as furniture surfaces. If an infectious disease isolate taken from a patient exhibits a high mutation rate compared to a reference infectious disease isolate, it can be determined that the patient has transmitted the infection from another living microorganism. This decision may allow hospital staff to focus on trying to contain infections in other patients, rather than testing equipment for contamination. This can allow hospital staff to reduce the time to determine the source of infection and save the cost of unnecessarily disinfecting equipment.

図3は、本開示のある実施形態による感染症のソースを決定する方法300のフローチャートを示す。ステップ305において、医療スタッフは最初に、感染症分離株又は複数の感染症分離株を得るため、異なる環境からのサンプルを集めることができる。サンプルは、日常的に集められることができるか、又は特定されたHAIに基づき集められることができる。ステップ310において、感染症分離株は、従来技術において知られるシーケンス技術に基づき、処理及びシーケンス化されることができる。シーケンス化技術を提供する会社の例は、454Life Sciences、Roche社及びPacific Biosciencesを含む。従来技術において知られるシーケンス化技術は、感染症分離株の全体のゲノムがシーケンス化されることを可能にすることができる。病院は、現場でシーケンス化技術を持つことができるか、又は病院が、別のシーケンス化会社にサンプルを送ることができる。配列のデジタル表現が生成され、配列の分析を可能にする1つ又は複数の処理ユニットによりアクセス可能なメモリに格納されることができる。特に明記しない限り、遺伝子配列に基づかれる任意の比較、分析又は決定は、1つ又は複数の処理ユニットにより実行されることが想定される。ステップ315において、感染症分離株配列が、処理ユニットにより1つ又は複数の配列に対して比較されることができる。他の配列は、他の収集された感染症分離株からの配列、公衆又はプライベートなデータベースからの既知の病原体の参照配列及び/又は他のソースからの配列とすることができる。比較は、感染症分離株配列及び1つ又は複数の他の配列の間の変種を決定することを含むことができる。以下、変種又は遺伝子の変種は、シングルヌクレオチド差又は遺伝子レベル差を指す。変種は、例えばBWA-samstools及びGolden Helixといった既存のソフトウェアツールを用いて発見されることができる。   FIG. 3 shows a flowchart of a method 300 for determining the source of an infection according to an embodiment of the present disclosure. In step 305, the medical staff may first collect samples from different environments to obtain an infectious disease isolate or multiple infectious disease isolates. Samples can be collected on a daily basis or can be collected based on the identified HAI. In step 310, the infectious disease isolate can be processed and sequenced based on sequencing techniques known in the prior art. Examples of companies that provide sequencing technology include 454 Life Sciences, Roche and Pacific Biosciences. Sequencing techniques known in the prior art can allow the entire genome of an infectious disease isolate to be sequenced. The hospital can have sequencing technology on site or the hospital can send the sample to another sequencing company. A digital representation of the sequence can be generated and stored in memory accessible by one or more processing units allowing analysis of the sequence. Unless otherwise stated, it is envisioned that any comparison, analysis or determination based on a gene sequence is performed by one or more processing units. In step 315, the infectious disease isolate sequence can be compared against one or more sequences by the processing unit. Other sequences can be sequences from other collected infectious disease isolates, reference sequences of known pathogens from public or private databases, and / or sequences from other sources. The comparison can include determining a variant between the infectious disease isolate sequence and one or more other sequences. Hereinafter, variants or gene variants refer to single nucleotide differences or gene level differences. Variants can be found using existing software tools such as BWA-samstools and Golden Helix.

ステップ320において、これらの変種が、1つ又は複数の配列に対する感染症分離株配列の進化の歴史を決定するのに使用されることができる。例えば、所与の伝染性の物質が、生体又は非生体であるすべての伝達領域にわたり類似するレートでシングルヌクレオチド突然変異を示すことが想定されることができる。結果的に、累積的な数のシングルヌクレオチド変化が、配列複製発生の総数、即ち生成の総数を推定するために用いられることができる。そのようなものとして、進化の歴史における変動又は生成の総数が、伝達領域のタイプに起因されることができるという更なる結論がなされることができる。進化の歴史は、上述した方法又は別の方法の1つにより決定されることができる。ステップ325において、進化の歴史に基づき、感染症分離株の突然変異のレートが算出される。突然変異のレートは、上述した方法又は別の方法の1つにより算出されることができる。   In step 320, these variants can be used to determine the evolutionary history of the infection isolate sequence for one or more sequences. For example, it can be envisaged that a given infectious substance exhibits single nucleotide mutations at similar rates across all transmission regions that are living or non-living. Consequently, a cumulative number of single nucleotide changes can be used to estimate the total number of sequence replication occurrences, ie the total number of generations. As such, a further conclusion can be made that the total number of variations or generations in evolutionary history can be attributed to the type of transmission region. The history of evolution can be determined by one of the methods described above or another method. In step 325, the mutation rate of the infectious disease isolate is calculated based on the history of evolution. The rate of mutation can be calculated by one of the methods described above or another method.

1つの例示的な実施形態によれば、ステップ330において、感染症分離株の突然変異のレートが、1つ又は複数の他の配列の突然変異のレートに対して比較される。ステップ335において、突然変異レートの比較に基づき、感染のソースの決定がなされる。感染症分離株配列及び他の配列は、突然変異レートによりクラスター化されることができ、各クラスターは、異なる感染症ソースに割り当てられる。   According to one exemplary embodiment, in step 330, the rate of mutation of the infectious disease isolate is compared against the rate of mutation of one or more other sequences. In step 335, a source of infection is determined based on the mutation rate comparison. Infectious disease isolate sequences and other sequences can be clustered by mutation rate, with each cluster assigned to a different infectious disease source.

別の例示的な実施形態によれば、ステップ330において、感染症分離株の複製のレートが、1つ又は複数の他の配列の複製のレートに対して比較される。ステップ335において、複製レートの比較に基づき、感染のソースの決定がなされる。感染症分離株配列及び他の配列は、複製レートによりクラスター化されることができ、各クラスターは、異なる感染症ソースに対して割り当てられる。感染症分離株配列は、異なる既知の環境からの参照配列複製レートに対して比較されることができ、後述されるようにソース環境を割り当てられることができる。感染症ソース又は感染症分離株の感染症ソースの分類を決定する他の方法が実行されることができる。   According to another exemplary embodiment, at step 330, the rate of replication of the infectious disease isolate is compared against the rate of replication of one or more other sequences. In step 335, a source of infection is determined based on the comparison of replication rates. Infectious disease isolate sequences and other sequences can be clustered by replication rate, with each cluster assigned to a different infectious disease source. Infectious disease isolate sequences can be compared against reference sequence replication rates from different known environments and assigned a source environment as described below. Other methods of determining the classification of the infectious disease source or the infectious disease source of the infectious disease isolate may be performed.

本開示のある実施形態による感染の伝達のソースを決定するのに使用されるシステム400の例が、図4におけるブロック図として示される。デジタル形式の感染症分離株配列が、メモリ405に含まれることができる。メモリ405は、処理ユニット415によりアクセス可能とすることができる。処理ユニット415は、1つ又は複数の処理ユニットを含むことができる。処理ユニット415は、1つ又は複数の配列を含むデータベース410に対するアクセスを持つことができる。処理ユニット415は、その決定の結果をディスプレイ820及び/又はデータベース410に提供することができる。ディスプレイ420は、ユーザに対して可視である電子ディスプレイでもよい。オプションで、処理ユニット415は更に、コンピュータシステム425にアクセスすることができる。コンピュータシステム425は、追加的なデータベース、メモリ及び/又は処理ユニットを含むことができる。コンピュータシステム425は、システム400の一部とすることができ、又はシステム400によりリモートでアクセスされることができる。いくつかの実施形態において、システム400は、シーケンス化ユニット430を含むこともできる。シーケンス化ユニット430は、感染症分離株を処理して、配列を生成し、デジタル形式の感染症分離株配列を生成することができる。   An example of a system 400 used to determine the source of infection transmission according to certain embodiments of the present disclosure is shown as a block diagram in FIG. A digital form of the infectious disease isolate sequence can be included in the memory 405. Memory 405 may be accessible by processing unit 415. The processing unit 415 can include one or more processing units. The processing unit 415 can have access to a database 410 that includes one or more arrays. Processing unit 415 may provide the results of the determination to display 820 and / or database 410. Display 420 may be an electronic display that is visible to the user. Optionally, the processing unit 415 can further access the computer system 425. The computer system 425 can include additional databases, memory, and / or processing units. Computer system 425 can be part of system 400 or can be remotely accessed by system 400. In some embodiments, the system 400 can also include a sequencing unit 430. The sequencing unit 430 can process the infectious disease isolate to generate a sequence and generate an infectious disease isolate sequence in digital form.

図2A〜図2Bは、本開示のある実施形態による例を示す。この例において、10のHAIサンプルが、類似する又は異なる環境におけるさまざまな貯蔵部から集められることができ、感染症分離株に関する全体のゲノムが、シーケンス化されることができる。変種が決定されることができ、進化の距離が算出されることができる。これらの進化の距離に基づき、元の木200が、図2Aに示されるようにプロットされることができる。この例において、元の木200は、キムラ2パラメータ距離推定に基づき、隣接結合木方法を用いて生成された。木200は、10のHAIの間の進化の距離及び関係を示す。分岐の長さは、これらの算出された距離に比例する。例えば、2つの異なるHAIに対応するノード11及びノード12は、0.72の進化の距離を持つ。上記したように、これは、2つのHAIの間の類似性の尺度である。進化の距離がより大きいほど、2つのHAIの配列の間の類似性は低くなる。各ノード/HAIサンプルに関して時間における相対的な年齢が、例えば上述したMPL方法といった日付法を使用することにより、進化の距離の元の木200に基づき算出されることができる。日付入りの木205が、図2Bに示される。この例において、元の木100において、11番目のノードから12番目のノードへのエッジ長は、0.72であり、12番目のノードからノード/葉t10までのエッジ長は、0.99である。特定ノードの年齢が既知である場合、残りのノードの年齢は推定されることができる。この例において、11番目のノードの年齢は、既知であり、木の他のすべてのノードに関して共通の祖先である。11番目のノードに関するMPL統計は、1.56である。ノード11が最低2日前に分岐した場合、残りのノードは、割ることにより、日における最小年齢へと変換されることができ、0.78=1.56/2となる。例えば、年齢に関してこの式を用いて、ノード12は、1.479日前ノード11から分岐した。   2A-2B illustrate examples according to certain embodiments of the present disclosure. In this example, 10 HAI samples can be collected from various reservoirs in similar or different environments, and the entire genome for the infectious disease isolate can be sequenced. Variants can be determined and evolutionary distances can be calculated. Based on these evolutionary distances, the original tree 200 can be plotted as shown in FIG. 2A. In this example, the original tree 200 was generated using an adjacent connected tree method based on Kimura two-parameter distance estimation. Tree 200 shows evolutionary distances and relationships between 10 HAIs. The length of the branch is proportional to these calculated distances. For example, node 11 and node 12 corresponding to two different HAIs have an evolutionary distance of 0.72. As mentioned above, this is a measure of similarity between two HAIs. The greater the distance of evolution, the lower the similarity between the two HAI sequences. The relative age in time for each node / HAI sample can be calculated based on the evolutionary distance original tree 200 by using a date method such as the MPL method described above. A dated tree 205 is shown in FIG. 2B. In this example, in the original tree 100, the edge length from the 11th node to the 12th node is 0.72, and the edge length from the 12th node to the node / leaf t10 is 0.99. is there. If the age of a particular node is known, the age of the remaining nodes can be estimated. In this example, the age of the eleventh node is known and is a common ancestor for all other nodes in the tree. The MPL statistic for the eleventh node is 1.56. If node 11 branches at least two days ago, the remaining nodes can be converted to the minimum age in the day by dividing, so that 0.78 = 1.56 / 2. For example, using this formula for age, node 12 has branched from node 11 1.479 days ago.

この日付情報を用いて、サンプルは、特定の環境に関する少数の突然変異を持つことができることが予想される。進化の距離が、他のサンプル若しくは参照配列と比較して高い場合、及び/又は算出された突然変異レート若しくは複製レートが、他のサンプル若しくは参照配列と比較してより高い場合、そのサンプルに対応する感染症は、病原体の高い複製レートが可能にされた環境から伝達されると決定されることができる。高い複製レートは、突然変異に関するより大きな確率及び発生を可能にすることができ、これは、異なる時点で集められる感染症分離株の配列の間の差を増加させる。例えば、別の細菌配列からの大きな進化の距離を持つバクテリアの配列が、生体微生物により伝達されたと決定されることができる。生体微生物は、より多くの栄養分を提供することができ、病原体に関して、非生体領域より高い複製レートを維持することができる。従って、所望の閾値以上の又はこれを下回る進化の距離を呈する感染症分離株、累積的な突然変異の発生、突然変異レート又はその組み合わせが、特定のソースにより伝達されたと決定されることができる。   With this date information, it is expected that a sample can have a small number of mutations for a particular environment. If the evolutionary distance is high compared to another sample or reference sequence and / or if the calculated mutation or replication rate is higher compared to another sample or reference sequence, it corresponds to that sample Infectious diseases can be determined to be transmitted from an environment where a high replication rate of the pathogen is enabled. High replication rates can allow greater probability and occurrence for mutations, which increases the difference between sequences of infectious disease isolates collected at different time points. For example, a bacterial sequence having a large evolutionary distance from another bacterial sequence can be determined to have been transmitted by a living microorganism. Living microorganisms can provide more nutrients and maintain higher replication rates with respect to pathogens than non-living areas. Thus, infectious disease isolates exhibiting evolutionary distances above or below a desired threshold, the occurrence of cumulative mutations, mutation rates, or combinations thereof can be determined to have been transmitted by a particular source. .

上記使用される方法に代替的に又は追加的に、1つ又は複数の環境に関する病原体の複製又は成長率は、既知とすることができる。本開示のある実施形態による成長率の例示的なプロット500が、図5Aに示される。既知の成長率に基づき、生成当たりの突然変異の特定の数が、予想されることができる。   Alternatively or additionally to the methods used above, the pathogen replication or growth rate for one or more environments can be known. An exemplary plot 500 of growth rate according to certain embodiments of the present disclosure is shown in FIG. 5A. Based on the known growth rate, a specific number of mutations per generation can be expected.

図5Bを参照して、1つの例示的な実施形態によれば、系統学的に最も近い近隣が、データベースに格納される過去のサンプルの配列とこのサンプルの配列とを比較することにより、調査中のサンプル520に関して決定されることができる。最も近い近隣が特定されると、差(比較されるヌクレオチド基の総数に対して正規化される)の数が推定されることができる。この微生物に関する複製サイクル当たりの共通の突然変異レートの仮定下において、特徴的な突然変異曲線が、複数の貯蔵部(例えば、図5Bに示される貯蔵部1、2及び3)に関してプロットされることができる。突然変異曲線は、異なる貯蔵部、即ち伝達領域における、この微生物の複製レートに基づき選択されることができる。調査下のサンプル及びその決定された最も近い近隣の分離株の間の年代順の時間差に基づき、累積された突然変異の予想された数が、異なる成長率に関して推定される。実際の、観察された突然変異に最も近い成長率が、サンプルの成長率として特定されることができ、この成長率に関連付けられることが既知の貯蔵部が、伝達の最もありそうなソース(図5Bにおけるサンプル520に関する貯蔵部2)として特定されることができる。   Referring to FIG. 5B, according to one exemplary embodiment, the phylogenetic closest neighbor is investigated by comparing the sequence of this sample with the sequence of past samples stored in the database. Can be determined for sample 520 in the middle. Once the nearest neighbor is identified, the number of differences (normalized to the total number of nucleotide groups being compared) can be estimated. Under the assumption of a common mutation rate per replication cycle for this microorganism, characteristic mutation curves are plotted for multiple reservoirs (eg, reservoirs 1, 2, and 3 shown in FIG. 5B). Can do. Mutation curves can be selected based on the replication rate of this microorganism in different reservoirs, ie transmission regions. Based on the chronological time difference between the sample under study and its determined nearest neighbor isolate, the expected number of accumulated mutations is estimated for different growth rates. The actual growth rate closest to the observed mutation can be identified as the growth rate of the sample, and the reservoir known to be associated with this growth rate is the most likely source of transmission (Figure Can be identified as reservoir 2) for sample 520 in 5B.

感染症分離株は、その推定された成長率に基づき、成長率曲線にフィットされることができる。例えば、感染症分離株が低い成長率(例えば、0.2)を持つことがわかり、曲線505にフィットする場合、感染症が、表面により伝達されたと決定されることができる。感染症分離株が中間の成長率(例えば、0.5)を持つことがわかり、曲線510にフィットする場合、感染症が、例えばトイレといった湿潤環境により伝達されたと決定されることができる。感染症分離株が高い成長率(例えば、1.0)を持つことがわかり、曲線515にフィットする場合、感染症分離株が、生体微生物により伝達されたと決定されることができる。   An infectious disease isolate can be fitted to a growth rate curve based on its estimated growth rate. For example, if an infectious disease isolate is found to have a low growth rate (eg, 0.2) and fits curve 505, it can be determined that the infectious disease has been transmitted by the surface. If the infectious disease isolate is found to have an intermediate growth rate (eg, 0.5) and fits the curve 510, it can be determined that the infectious disease has been transmitted by a moist environment, eg, a toilet. If the infectious disease isolate is found to have a high growth rate (eg, 1.0) and fits the curve 515, it can be determined that the infectious disease isolate has been transmitted by a living microorganism.

上記使用される方法に追加的に又は代替的に、感染症分離株サンプル及び/又は参照配列の進化の距離分布が、推定されることができる。新しい感染症分離株サンプルの進化の距離は、既知の参照配列の進化の距離又は以前に分析された感染症分離株サンプルの進化の距離に対して比較されることができる。経験累積分布関数(ECDF)が、既知の統計方法を用いて生成されることができる。本開示のある実施形態による例示的なECDFプロット600が、図6に示される。この例において、感染症分離株が所望の信頼区間(例えば、95%)の外側に含まれると決定される場合、感染症分離株は、参照配列とは異なるソースから伝達されたと決定されることができる。図6に示されるプロットにおいて、x>0.8を持つ任意の感染症分離株配列が、参照配列と比較して高い突然変異レートを持つと決定されることができ、従って、感染症は、生体微生物により伝達されたと決定されることができる。   In addition or alternatively to the method used above, the evolutionary distance distribution of the infectious disease isolate sample and / or reference sequence can be estimated. The evolutionary distance of a new infectious disease isolate sample can be compared against the evolutionary distance of a known reference sequence or the evolutionary distance of a previously analyzed infectious disease isolate sample. An empirical cumulative distribution function (ECDF) can be generated using known statistical methods. An exemplary ECDF plot 600 according to an embodiment of the present disclosure is shown in FIG. In this example, if it is determined that the infectious disease isolate falls outside the desired confidence interval (eg, 95%), the infectious disease isolate is determined to have been transmitted from a different source than the reference sequence. Can do. In the plot shown in FIG. 6, any infectious disease isolate sequence with x> 0.8 can be determined to have a high mutation rate compared to the reference sequence, thus the infectious disease is It can be determined that it has been transmitted by a living microorganism.

図7は、進化の距離に基づき配列をクラスタ化する、本開示のある実施形態による異なる方法を示す。カーネル密度プロット700といった異なるグラフィック形式において表されるにもかかわらず、この方法は、図6に関して表されるものに類似する。感染症分離株配列が参照配列の進化の距離の所望の信頼区間の外側に含まれる場合、感染症分離株配列は、参照配列のソースとは異なるソースにより伝達されたと決定される。プロット700において、0.2以上の進化の距離を持つ感染症分離株は、相対的な年齢が低いとき、生体微生物により伝達されたと決定されることができる。   FIG. 7 illustrates different methods according to certain embodiments of the present disclosure for clustering sequences based on evolutionary distances. Despite being represented in a different graphic format, such as kernel density plot 700, the method is similar to that represented with respect to FIG. If the infectious disease isolate sequence falls outside the desired confidence interval for the evolutionary distance of the reference sequence, the infectious disease isolate sequence is determined to have been transmitted by a source different from the source of the reference sequence. In plot 700, infectious disease isolates with an evolutionary distance of 0.2 or greater can be determined to have been transmitted by living microorganisms when the relative age is low.

参照配列は、図6及び図7に示される例において単一のクラスターへとグループ化されるが、それは、参照配列の複数のクラスターを持つことができる。各クラスターは、特定の環境における病原体に関する進化の距離を表すことができる。各クラスターに属する新しい感染症分離株に関する信頼区間はその後、既知の統計方法を用いて算出されることができる。感染症の伝達のソースは、感染症分離株配列が包含の最高確率を持つのがどのクラスターかに基づき、決定されることができる。   The reference sequence is grouped into a single cluster in the examples shown in FIGS. 6 and 7, but it can have multiple clusters of reference sequences. Each cluster can represent the evolutionary distance for pathogens in a particular environment. Confidence intervals for new infectious disease isolates belonging to each cluster can then be calculated using known statistical methods. The source of infection transmission can be determined based on which cluster the infection isolate sequence has the highest probability of inclusion.

図8は、感染症の伝達のソースを決定する本開示の実施形態による例示的な処理800A及び800Bを要約するフローチャートを示す。処理800A及び/又は800Bは、図3における方法300のステップ335に含まれることができる。方法300のステップ335は、感染症の伝達のソースを決定する1つ又は複数の処理を含むことができる。処理800Aは、感染症分離株の突然変異レートが所望の閾値X以上か、又はそれ未満かどうかに基づき、感染症ソースが第1の貯蔵部又は第2の貯蔵部であるかを決定する。処理800Bは、感染症分離株の進化の距離が信頼区間Xに含まれるかどうかに基づき、感染症ソースが第1の貯蔵部又は第2の貯蔵部であるかを決定する。信頼区間は、1つ又は複数のサンプル配列の分布に基づかれることができる。他の処理が実行されることもできる。2つの貯蔵部だけが示されるが、本開示の実施形態は、任意の数の貯蔵部の間の決定をすることを含むことができる。例えば、処理800Aにおいて、値Xは、突然変異レートのレンジを規定する複数の値により置き換えられることができる。各レンジは、異なる貯蔵部に関連付けられることができる。   FIG. 8 shows a flowchart summarizing an exemplary process 800A and 800B according to an embodiment of the present disclosure for determining a source of infection transmission. Process 800A and / or 800B may be included in step 335 of method 300 in FIG. Step 335 of the method 300 may include one or more processes that determine the source of infection transmission. Process 800A determines whether the infectious disease source is the first reservoir or the second reservoir based on whether the mutation rate of the infectious disease isolate is greater than or less than the desired threshold X. Process 800B determines whether the infectious disease source is the first reservoir or the second reservoir based on whether the evolutionary distance of the infectious disease isolate is included in the confidence interval X. The confidence interval can be based on the distribution of one or more sample sequences. Other processes can also be performed. Although only two reservoirs are shown, embodiments of the present disclosure can include making a decision between any number of reservoirs. For example, in process 800A, the value X can be replaced by a plurality of values that define a range of mutation rates. Each range can be associated with a different reservoir.

一旦感染症の伝達のソースの決定が、1つ又は複数の処理ユニットによりなされると、メモリに格納される感染症分離株配列に基づき、少なくとも1つの処理ユニットにより、ユーザ、データベース及び/又はコンピュータシステムに対して決定が提供されることができる。ユーザは、病院における感染症制御スタッフのメンバーとすることができる。ユーザは、処理ユニットに結合される電子ディスプレイにおいて、視覚的なインジケーターを受信することができる。ユーザは、感染症ソースの決定を用いて、感染のソースを分離及び除去する手段を講じる感染症制御スタッフによる負担を調整することができる。例えば、感染症ソースが、特定の患者といった生体微生物からであることが決定される場合、感染症制御スタッフは患者を隔離することができ、看護士及び医師が患者を治療した後、他の患者と接触する前に高度な殺菌方法を使用することを確実にすることができる。感染症ソースが、例えば気管支鏡といった非生体領域からであることが決定される場合、この器材は、消毒され、追加的な患者において使用される前に病原体に関して再テストされることができる。   Once the determination of the source of transmission of the infection is made by one or more processing units, the user, database and / or computer may be used by at least one processing unit based on the infection isolate sequence stored in memory. Decisions can be provided for the system. The user can be a member of an infectious disease control staff in a hospital. A user can receive a visual indicator on an electronic display coupled to the processing unit. The user can use the infection source determination to adjust the burden on the infection control staff to take steps to isolate and remove the source of infection. For example, if the infection source is determined to be from a living organism such as a particular patient, the infection control staff can isolate the patient and other patients after the nurse and doctor treat the patient It can be ensured that advanced sterilization methods are used before contacting with. If it is determined that the infectious disease source is from a non-biological area, such as a bronchoscope, the equipment can be disinfected and retested for pathogens before being used in additional patients.

複数の感染症分離株が、すべて異なる無関係なソースからであることが決定されることができる。これらの例において、感染症制御スタッフは、無菌の手順及び/又は感染症制御プロトコルが、ヘルスケア施設で壊れたことを決定することができる。感染の伝達を減らすための更なる分析及び/又は適切な手順について医療スタッフを再訓練することが、実行されることができる。   It can be determined that multiple infectious disease isolates are all from different unrelated sources. In these examples, the infection control staff can determine that an aseptic procedure and / or infection control protocol has been broken at a healthcare facility. Retraining medical staff for further analysis and / or appropriate procedures to reduce transmission of infection can be performed.

決定及び感染症分離株配列は、将来の感染症ソースの決定に用いるためデータベースに格納されることができる。データは、追加的なユーザ、病院又はエージェンシーによりアクセスできるコンピュータシステムに転送されることもできる。これは、より簡単な情報共有を可能にし、感染症制御を改善することができる。それは、感染症のより簡単なレポーティングを可能にすることもできる。これは、規制により必要とされる場合がある。例えば、処理ユニットは、決定を持つレポートを自動的に生成することができ、例えば米国疾病管理センター(CDC)といった伝染病を追跡しているエージェンシーに対して、レポートを提供することができる。   The determination and infectious disease isolate sequences can be stored in a database for use in determining future infectious disease sources. The data can also be transferred to a computer system accessible by additional users, hospitals or agencies. This allows easier information sharing and can improve infection control. It can also allow easier reporting of infections. This may be required by regulation. For example, the processing unit can automatically generate a report with the decision and can provide the report to an agency that is tracking infectious diseases, such as the US Centers for Disease Control (CDC).

もちろん、上記実施形態又は方法の任意の1つが、1つ若しくは複数の他の実施形態及び/若しくは方法と結合され若しくは分離されることができ、並びに/又は本システム、デバイス及び方法による別々のデバイス若しくはデバイス部分の間で実行されることができる点を理解されたい。   Of course, any one of the above embodiments or methods can be combined or separated from one or more other embodiments and / or methods and / or separate devices according to the present systems, devices and methods. Alternatively, it should be understood that it can be performed between device portions.

最後に、上記説明は、本システムの単なる図示であることが意図され、任意の特定の実施形態又は実施形態のグループへと添付の請求の範囲を限定するものと解釈されてはならない。こうして、本システムが、例示的な実施形態を参照して特定の詳細において説明されたが、多数の変更態様及び代替的な実施形態が、以下の請求項に記載される本システムのより広い及び意図された趣旨及び範囲を逸脱しない範囲で、当業者により考案されることができる点も理解されたい。従って、明細書及び図面は、説明的な態様で理解されるべきであり、添付の請求の範囲を限定することを目的とするものではない。   Finally, the above description is intended to be merely illustrative of the present system and should not be construed to limit the scope of the appended claims to any particular embodiment or group of embodiments. Thus, while the system has been described in specific detail with reference to exemplary embodiments, numerous modifications and alternative embodiments have been described in the broader scope of the system as set forth in the claims below and It should also be understood that it can be devised by those skilled in the art without departing from the intended spirit and scope. Accordingly, the specification and drawings are to be understood in an illustrative manner and are not intended to limit the scope of the appended claims.

Claims (24)

ある方法において、
感染症分離株配列を表す電子データを受信するステップと、
前記感染症分離株配列を表わす前記電子データとデータベースに格納される少なくとも1つの参照配列とを比較し、前記感染症分離株配列と前記少なくとも1つの参照配列との間の変種を決定するステップと、
前記変種に少なくとも部分的に基づき、前記感染症分離株の進化の歴史の少なくとも一部を決定するステップと、
前記進化の歴史の一部に少なくとも部分的に基づき、前記感染症分離株の系統発生的メトリックを算出するステップと、
前記感染症分離株の前記系統発生的メトリックと前記少なくとも1つの参照配列の系統発生的メトリックとを比較するステップと、
前記感染症分離株の前記系統発生的メトリック及び前記少なくとも1つの参照配列の前記系統発生的メトリックの間の差に少なくとも部分的に基づき、前記感染症分離株が、第1の貯蔵部又は第2の貯蔵部により伝達されたかを決定するステップと、
前記感染症分離株が、前記第1の貯蔵部又は第2の貯蔵部により伝達されたかのインジケーションを提供するステップとを有する、方法。
In one way,
Receiving electronic data representing an infectious disease isolate sequence;
Comparing the electronic data representative of the infectious disease isolate sequence with at least one reference sequence stored in a database to determine a variant between the infectious disease isolate sequence and the at least one reference sequence; ,
Determining at least part of the evolutionary history of the infectious disease isolate based at least in part on the variant; and
Calculating a phylogenetic metric of the infectious disease isolate based at least in part on the evolutionary history;
Comparing the phylogenetic metric of the infectious disease isolate with the phylogenetic metric of the at least one reference sequence;
Based at least in part on the difference between the phylogenetic metric of the infectious disease isolate and the phylogenetic metric of the at least one reference sequence, the infectious disease isolate comprises a first reservoir or a second Determining whether it has been transmitted by a reservoir of
Providing an indication of whether the infectious disease isolate has been transmitted by the first reservoir or the second reservoir.
提供される前記インジケーションが、前記感染症分離株が前記第1の貯蔵部又は前記第2の貯蔵部により伝達されたかどうかの決定に少なくとも部分的に基づき、前記第1の貯蔵部又は第2の貯蔵部を隔離させるためのものである、請求項1に記載の方法。   The indication provided is based at least in part on the determination of whether the infectious disease isolate has been transmitted by the first reservoir or the second reservoir, and the first reservoir or second The method according to claim 1, wherein the method is for isolating a reservoir of water. 前記インジケーションが、電子ディスプレイにおけるテキストである、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the indication is text on an electronic display. 前記進化の歴史の少なくとも一部を決定するステップが、進化の距離を算出するステップを含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein determining at least a portion of the evolutionary history comprises calculating an evolutionary distance. 前記進化の距離が、ジューク−カントール方法により算出される、請求項4に記載の方法。   5. The method of claim 4, wherein the evolutionary distance is calculated by the Juke-Cantor method. 前記系統発生的メトリックが、平均経路長方法により算出される突然変異レートである、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the phylogenetic metric is a mutation rate calculated by an average path length method. ある方法において、
少なくとも1つの処理ユニットを用いて、前記少なくとも1つの処理ユニットによりアクセス可能なメモリに格納される感染症分離株の配列と、前記少なくとも1つの処理ユニットによりアクセス可能なデータベースに格納される少なくとも1つの参照配列とを比較し、前記感染症分離株と前記少なくとも1つの参照配列との間の変種を決定するステップと、
前記少なくとも1つの処理ユニットを用いて、前記変種に少なくとも部分的に基づき、前記感染症分離株の複製レートを決定するステップと、
前記少なくとも1つの処理ユニットを用いて、前記感染症分離株の前記複製レートと前記少なくとも1つの参照配列の複製レートとを比較し、前記感染症分離株の前記複製レートと前記少なくとも1つの参照配列の前記複製レートとの差に少なくとも部分的に基づき、前記感染症分離株が第1の貯蔵部又は第2の貯蔵部により伝達されたかどうかを決定するステップと、
前記感染症分離株が前記第1の貯蔵部又は第2の貯蔵部により伝達されたかどうかの前記決定をディスプレイを用いてユーザに提供するステップとを有する、方法。
In one way,
Using at least one processing unit, an array of infectious disease isolates stored in memory accessible by the at least one processing unit and at least one stored in a database accessible by the at least one processing unit Comparing a reference sequence and determining a variant between the infectious disease isolate and the at least one reference sequence;
Using the at least one processing unit to determine a replication rate of the infectious disease isolate based at least in part on the variant;
Comparing the replication rate of the infectious disease isolate with the replication rate of the at least one reference sequence using the at least one processing unit, and the replication rate of the infectious disease isolate and the at least one reference sequence; Determining whether the infectious disease isolate has been transmitted by the first reservoir or the second reservoir based at least in part on the difference in the replication rate of
Providing the user with a display using the display to determine whether the infectious disease isolate has been transmitted by the first reservoir or the second reservoir.
前記第1の貯蔵部が、生体微生物であり、前記第2の貯蔵部は、非生体領域である、請求項7に記載の方法。   The method according to claim 7, wherein the first storage unit is a biological microorganism, and the second storage unit is a non-biological region. 前記感染症分離株が前記非生体領域により伝達されたと決定される場合、器材を消毒するよう前記ユーザに通知を提供するステップを更に有する、請求項8に記載の方法。   9. The method of claim 8, further comprising providing a notification to the user to disinfect equipment if it is determined that the infectious disease isolate has been transmitted by the non-living area. 前記感染症分離株が前記非生体領域により伝達されたと決定される場合、前記感染症分離株に関して器材をテストするよう前記ユーザに通知を提供するステップを更に有する、請求項8に記載の方法。   9. The method of claim 8, further comprising providing a notification to the user to test equipment for the infectious disease isolate if it is determined that the infectious disease isolate has been transmitted by the non-living area. 前記感染症分離株が前記生体微生物により伝達されたと決定される場合、前記感染症分離株に関して患者をテストするよう前記ユーザに通知を提供するステップを更に有する、請求項8に記載の方法。   9. The method of claim 8, further comprising providing a notification to the user to test a patient for the infectious disease isolate if it is determined that the infectious disease isolate has been transmitted by the living microorganism. 前記感染症分離株が前記生体微生物により伝達されたと決定される場合、患者を隔離するよう前記ユーザに通知を提供するステップを更に有する、請求項8に記載の方法。   9. The method of claim 8, further comprising providing a notification to the user to isolate a patient if it is determined that the infectious disease isolate has been transmitted by the living microorganism. 前記感染症分離株が前記第1の貯蔵部又は第2の貯蔵部により伝達されたかどうかの前記決定のレポートを生成し、感染症を追跡しているエージェンシーに対して送信するステップを更に有する、請求項7に記載の方法。   Generating a report of the determination of whether the infectious disease isolate has been transmitted by the first reservoir or the second reservoir and sending it to an agency tracking the infection; The method of claim 7. ある方法において、
少なくとも1つの処理ユニットを用いて、前記少なくとも1つの処理ユニットによりアクセス可能なメモリに格納される感染症分離株の配列と、前記少なくとも1つの処理ユニットによりアクセス可能なデータベースに格納される少なくとも1つの参照配列とを比較し、前記感染症分離株と前記少なくとも1つの参照配列との間の変種を決定するステップと、
前記少なくとも1つの処理ユニットを用いて、前記変種に少なくとも部分的に基づき、前記少なくとも1つの参照配列から前記感染症分離株の進化の距離を決定するステップと、
前記少なくとも1つの処理ユニットを用いて、前記感染症分離株の前記進化の距離と、前記少なくとも1つの参照配列から前記データベースに格納される複数の配列の進化の距離の分布とを比較し、前記感染症分離株の前記進化の距離と前記複数の配列の進化の距離の前記分布との差に少なくとも部分的に基づき、前記感染症分離株が第1の貯蔵部又は第2の貯蔵部により伝達されたかを決定するステップと、
前記感染症分離株が前記第1の貯蔵部又は第2の貯蔵部により伝達されたかどうかの前記決定をディスプレイを用いてユーザに提供するステップとを有する、方法。
In one way,
Using at least one processing unit, an array of infectious disease isolates stored in memory accessible by the at least one processing unit and at least one stored in a database accessible by the at least one processing unit Comparing a reference sequence and determining a variant between the infectious disease isolate and the at least one reference sequence;
Using the at least one processing unit to determine the evolutionary distance of the infectious disease isolate from the at least one reference sequence based at least in part on the variant;
Comparing the evolutionary distance of the infectious disease isolate with the distribution of evolutionary distances of a plurality of sequences stored in the database from the at least one reference sequence using the at least one processing unit; Based on the difference between the evolutionary distance of the infectious disease isolate and the distribution of the evolutionary distances of the plurality of sequences, the infectious disease isolate is transmitted by the first reservoir or the second reservoir. Determining what has been done;
Providing the user with a display using the display to determine whether the infectious disease isolate has been transmitted by the first reservoir or the second reservoir.
前記感染症分離株が第1の貯蔵部又は第2の貯蔵部により伝達されたかどうかの前記決定が、前記感染症分離株の前記進化の距離が、前記複数の配列の進化の距離の前記分布の所望の信頼区間に含まれるかどうかに少なくとも部分的に基づかれる、請求項14に記載の方法。   The determination of whether the infectious disease isolate was transmitted by the first reservoir or the second reservoir is such that the evolutionary distance of the infectious disease isolate is the distribution of evolutionary distances of the plurality of sequences. 15. The method of claim 14, wherein the method is based at least in part on whether it falls within a desired confidence interval. 前記信頼区間が、95%である、請求項15に記載の方法。   The method of claim 15, wherein the confidence interval is 95%. 前記複数の配列の進化の距離の前記分布が、前記複数の配列の進化の距離に基づかれる複数の分布である、請求項14に記載の方法。   15. The method of claim 14, wherein the distribution of evolutionary distances of the plurality of sequences is a plurality of distributions based on the evolutionary distance of the plurality of sequences. 前記複数の配列の進化の距離に基づかれる前記複数の分布の第1の1つが、前記第1の貯蔵部に対応し、前記複数の配列の進化の距離に基づかれる前記複数の分布の第2の1つは、前記第2の貯蔵部に対応する、請求項17に記載の方法。   A first one of the plurality of distributions based on the evolutionary distance of the plurality of sequences corresponds to the first reservoir, and a second of the plurality of distributions based on the evolutionary distance of the plurality of sequences. The method of claim 17, wherein one of the two corresponds to the second reservoir. 前記感染症分離株が前記第1の貯蔵部又は前記第2の貯蔵部により伝達されたかどうかの決定が、前記複数の配列の進化の距離に基づかれる複数の分布の前記第1の1つ又は前記前記第2の1つに前記感染症分離株の前記進化の距離が含まれるかどうかの確率に少なくとも部分的に基づかれる、請求項18に記載の方法。   The determination of whether the infectious disease isolate was transmitted by the first reservoir or the second reservoir is based on the evolutionary distance of the plurality of sequences. The method of claim 18, wherein the method is based at least in part on the probability of whether the second one includes the evolutionary distance of the infectious disease isolate. 新しい感染症分離株が前記第1の貯蔵部又は第2の貯蔵部により伝達されたかどうかの将来の決定に用いるため、前記複数の配列の1つとして、前記感染症分離株配列を前記データベースに格納するステップを更に有する、請求項14に記載の方法。   As one of the plurality of sequences, the infectious disease isolate sequence is stored in the database for use in future determinations as to whether a new infectious disease isolate has been transmitted by the first reservoir or the second reservoir. The method of claim 14, further comprising storing. システムであって、
処理ユニットと、
前記処理ユニットによりアクセス可能なメモリと、
前記処理ユニットによりアクセス可能なデータベースと、
前記処理ユニットに結合されるディスプレイとを有し、
前記処理ユニットが、
前記メモリに格納される感染症分離株の配列と前記データベースに格納される少なくとも1つの参照配列とを比較し、前記感染症分離株配列及び前記少なくとも1つの参照配列の間の変種を決定し、
前記変種に少なくとも部分的に基づき、前記感染症分離株の複製レートを決定し、
前記感染症分離株の前記複製レートと前記少なくとも1つの参照配列の複製レートとを比較し、前記感染症分離株の前記複製レートと前記少なくとも1つの参照配列の前記複製レートとの差に少なくとも部分的に基づき、前記感染症分離株が第1の貯蔵部又は第2の貯蔵部により伝達されたかどうかを決定し、
前記感染症分離株が前記第1の貯蔵部又は第2の貯蔵部により伝達されたかどうかの前記決定をディスプレイに提供するよう構成される、システム。
A system,
A processing unit;
Memory accessible by the processing unit;
A database accessible by the processing unit;
A display coupled to the processing unit;
The processing unit is
Comparing the sequence of the infectious disease isolate stored in the memory with at least one reference sequence stored in the database to determine a variant between the infectious disease isolate sequence and the at least one reference sequence;
Determining a replication rate of the infectious disease isolate based at least in part on the variant;
Comparing the replication rate of the infectious disease isolate with the replication rate of the at least one reference sequence, and at least partly differing between the replication rate of the infectious disease isolate and the replication rate of the at least one reference sequence On the basis of determining whether the infectious disease isolate was transmitted by the first reservoir or the second reservoir,
A system configured to provide the display with the determination of whether the infectious disease isolate has been delivered by the first reservoir or the second reservoir.
前記処理ユニットによりアクセス可能なコンピュータシステムを更に有し、
前記処理ユニットが、前記感染症分離株が前記第1の貯蔵部又は第2の貯蔵部により伝達されたかどうかの前記決定を提供するよう構成される、請求項21に記載のシステム。
A computer system accessible by the processing unit;
The system of claim 21, wherein the processing unit is configured to provide the determination of whether the infectious disease isolate has been transmitted by the first reservoir or a second reservoir.
前記感染症分離株の前記配列を前記メモリに提供するよう構成されるシーケンス化ユニットを更に有する、請求項21に記載のシステム。   The system of claim 21, further comprising a sequencing unit configured to provide the array of the infectious disease isolate to the memory. 前記処理ユニットが、複数の処理ユニットを有する、請求項21に記載のシステム。   The system of claim 21, wherein the processing unit comprises a plurality of processing units.
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